Hızlı dönüş 2017 nötron yıldızlarının kara deliğe çökmesini geciktirdi mi?

İki nötron yıldızı birbirine sarıldığında ve bir kara delik oluşturmak için birleştiğinde – 2017’de dünya çapında yerçekimi dalgası dedektörleri ve teleskoplar tarafından kaydedilen bir olay – hemen bir kara delik mi oluyor? Yoksa olay ufkunu geçerek bir kara deliğe yerçekimsel olarak çökmeden önce dönmesi biraz zaman alıyor mu?

Yörüngedeki bir teleskop olan Chandra X-ışını Gözlemevi’nin 2017 birleşmesiyle ilgili devam eden gözlemler, ikincisini öneriyor: birleştirilen nesne, nihai çöküşten önce muhtemelen sadece bir saniye için etrafta sıkıştı.

Kanıt, GW170817 olarak adlandırılan birleşmeden sonraki bir X-ışını parıltısı biçimindedir ve birleştirilmiş nötron yıldızlarının hemen bir kara deliğe çökmesi beklenmezdi. Afterglow, birleştirilmiş nötron yıldızlarından gelen ve malzemeyi ikili nötron yıldızlarının etrafından geçen ve ısıtan bir malzemenin geri tepmesi olarak açıklanabilir. Bu sıcak malzeme, birleşmenin bir kilonova olarak adlandırılan şeyde malzemeyi dışarıya fırlatmasından sonra, kalıntıyı dört yıldan fazla bir süre boyunca istikrarlı bir şekilde parıldamaya devam ediyor. Birleşmeden kısa bir süre sonra Chandra tarafından tespit edilen bir malzeme jetinden kaynaklanan X-ışını emisyonları, aksi takdirde şimdiye kadar kararmış olacaktı.

Chandra tarafından gözlemlenen aşırı X-ışını emisyonları, etrafında dönen ve sonunda kara deliğe düşen bir birikim diskindeki enkazdan gelebilirken, Berkeley’deki California Üniversitesi’nden astrofizikçi Raffaella Margutti, teorik olarak tahmin edilen gecikmeli çöküş hipotezini destekliyor.

“Birleştirilmiş nötron yıldızları doğrudan ara aşaması olmayan bir kara deliğe çökecek olsaydı, şu anda gördüğümüz bu X-ışını fazlalığını açıklamak çok zor olurdu, çünkü cisimlerin sıçrayabileceği sert bir yüzey olmazdı ve UC Berkeley’de astronomi ve fizik doçenti olan Margutti, “bu parıltıyı yaratmak için yüksek hızlarda uçun” dedi. “Sadece düşer. Bitti. Bilimsel olarak heyecanlanmamın gerçek nedeni, jetten daha fazlasını görme ihtimalimiz. Sonunda yeni kompakt nesne hakkında biraz bilgi alabiliriz.”

Margutti ve meslektaşları, UC Berkeley’e taşınmadan önce Northwestern Üniversitesi’ndeyken Margutti’nin yüksek lisans öğrencisi olan ilk yazar Aprajita Hajela da dahil olmak üzere, yakın zamanda yayımlanmak üzere kabul edilen bir makalede X-ışını sonrası kızıllık analizlerini rapor ediyorlar. Astrofizik Dergi Mektupları.

Bir kilonovanın radyoaktif parıltısı

Birleşmeden kaynaklanan yerçekimi dalgaları ilk olarak 17 Ağustos 2017’de Gelişmiş Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO) ve Başak işbirliği ile tespit edildi. Uydu ve yer tabanlı teleskoplar, bir gama ışını patlaması ve görünür ve kızılötesi emisyonları kaydetmek için hızla takip ettiler; bu, birlikte, parlak bir kilonova üreten sıcak ejekta içinde bu tür birleşmelerin ardından birçok ağır elementin üretildiği teorisini doğruladı. Kilonova, birleşme enkazında üretilen platin ve altın gibi radyoaktif elementlerin bozunması sırasında yayılan ışık nedeniyle parlıyor.

Chandra da GW170817’yi gözlemlemek için döndü, ancak dokuz gün sonrasına kadar hiçbir X-ışınları görmedi, bu da birleşmenin ayrıca dar bir malzeme jeti ürettiğini ve bunun nötron yıldızlarının etrafındaki malzemeyle çarpışması üzerine bir X-ışınları konisi yayan dar bir malzeme jeti ürettiğini düşündürdü. bu başlangıçta Dünya’yı kaçırdı. Ancak daha sonra jetin kafası genişledi ve Dünya’dan görülebilen daha geniş bir jette X-ışınları yaymaya başladı.

Jetten gelen X-ışını emisyonları birleşmeden sonra 160 gün boyunca arttı, ardından jet yavaşlayıp genişledikçe giderek azaldılar. Ancak Hajela ve ekibi, Mart 2020’den (birleşmeden yaklaşık 900 gün sonra) 2020’nin sonuna kadar düşüşün durduğunu ve X-ışını emisyonlarının parlaklıkta yaklaşık olarak sabit kaldığını fark etti.

Margutti, “X-ışınlarının hızla solmayı bırakması, bu kaynaktaki X-ışınlarında bir jete ek olarak bir şeyin tespit edildiğine dair en iyi kanıtımızdı,” dedi. “Gördüklerimizi açıklamak için tamamen farklı bir X-ışınları kaynağına ihtiyaç var gibi görünüyor.”

Araştırmacılar, aşırı X-ışınlarının birleşme tarafından üretilen jetlerden farklı bir şok dalgası tarafından üretildiğini öne sürüyorlar. Bu şok, birleşmiş nötron yıldızlarının gecikmeli çöküşünün bir sonucuydu, çünkü muhtemelen hızlı dönüşü yerçekimi çöküşünü çok kısa bir süre etkisiz hale getirdi. Fazladan bir saniye daha etrafta dolaşarak, nötron yıldızlarının etrafındaki malzeme, şoku yaratan çok hızlı bir kilonova ejecta kuyruğu oluşturan fazladan bir sıçrama yaptı.

Margutti, “Kilonova sonrası kızdırma emisyonunun, çevresel ortamda şoklanmış malzeme tarafından üretildiğini düşünüyoruz.” Dedi. “Şok dalgasını yönlendiren kilonova ejektasının en hızlı kenarı tarafından şoka uğrayan ve ısıtılan iki nötron yıldızının çevresinde bulunan malzemedir.”

Radyasyon bize ancak şimdi ulaşıyor çünkü düşük yoğunluklu ortamda ağır kilonova ejektasının yavaşlaması ve ejekta’nın kinetik enerjisinin şoklarla ısıya dönüştürülmesi zaman aldı. Bu, jet için radyo ve X-ışınları üreten işlemin aynısıdır, ancak jet çok, çok daha hafif olduğu için, çevre tarafından hemen yavaşlatılır ve en eski zamanlardan X-ışınları ve radyoda parlar.

Araştırmacıların belirttiği alternatif bir açıklama, X-ışınlarının nötron yıldızlarının birleşmesinden sonra oluşan kara deliğe doğru düşen malzemeden geldiğidir.

UC Berkeley doktora sonrası araştırmacısı yardımcı yazar Joe Bright, “Bu, ya bir kilonova sonrası parıltıyı ilk gördüğümüzde ya da bir nötron yıldızı birleşmesinden sonra bir kara deliğe düşen materyali ilk gördüğümüzde olacak” dedi. “Her iki sonuç da son derece heyecan verici olurdu.”

Chandra şu anda bu kozmik çarpışmadan gelen ışığı hala tespit edebilen tek gözlemevi. Bununla birlikte, Chandra ve radyo teleskopları tarafından yapılan takip gözlemleri, alternatif açıklamalar arasında ayrım yapabilir. Eğer bu bir kilonova parlama ise, önümüzdeki birkaç ay veya yıl içinde radyo emisyonunun yeniden tespit edilmesi bekleniyor. X-ışınları, yeni oluşan bir kara deliğin üzerine düşen madde tarafından üretiliyorsa, X-ışını çıkışı sabit kalmalı veya hızla azalmalıdır ve zamanla hiçbir radyo emisyonu tespit edilmeyecektir.

Margutti, LIGO, Virgo ve diğer teleskopların daha fazla nötron yıldızı birleşmesinden gelen kütleçekim dalgalarını ve elektromanyetik dalgaları yakalamasını umuyor, böylece birleşmeden önceki ve sonraki olaylar dizisi daha kesin bir şekilde tespit edilebiliyor ve kara delik oluşumunun fiziğini ortaya çıkarmaya yardımcı oluyor. O zamana kadar, GW170817 çalışma için mevcut olan tek örnektir.

Northwestern Üniversitesi’nden doktora sonrası araştırmacı ortak yazar Kate Alexander, “GW170817’nin daha fazla araştırılmasının geniş kapsamlı etkileri olabilir” dedi. “Bir kilonova art kıvılcımının tespiti, birleşmenin hemen bir kara delik üretmediği anlamına gelir. Alternatif olarak, bu nesne, gökbilimcilere, doğumundan birkaç yıl sonra maddenin bir kara deliğe nasıl düştüğünü inceleme şansı verebilir.”

Margutti ve ekibi kısa süre önce Chandra teleskobunun Aralık 2021’de gerçekleştirilen GW170817 gözlemlerinde X-ışınları tespit ettiğini duyurdu. Bu verilerin analizi devam ediyor. X-ışınları ile ilişkili herhangi bir radyo algılaması rapor edilmemiştir.